BMFTR-Projekt BeyondVoxels: Paradigmenwechsel in der 3D-Datenanalyse für die Röntgen-Computertomographie

Im BMFTR-Projekt BeyondVoxels entwickeln ein Team aus Universität Passau, Fraunhofer IIS/EZRT und dem Helmholtz-Zentrum Hereon gemeinsam eine neue Methode zur schnellen Verarbeitung riesiger 3D-Röntgendaten. Der Wavelet-basierte Ansatz, der in diesem Projekt verfolgt wird, spart Zeit und Speicherplatz und läuft auf handelsüblichen Rechnern.

Hochauflösende 3D-Scans aus der Röntgencomputertomographie (CT) liefern detaillierte Einblicke – etwa in Kulturgüter, geologische Strukturen, Materialstrukturen oder industrielle Werkstücke. Doch ihre Auswertung erfordert enorme Rechenleistung und Speicherplatz, die bei Nutzern dieser Daten oft nicht verfügbar sind Forschende der Universität Passau und des Fraunhofer IIS/EZRT sowie vom Helmholtz-Zentrum Hereon entwickeln im BMFTR-Projekt BeyondVoxels neuartige Methoden, um diese Herausforderung nun zu meistern.

Analog zum Pixel, das ein Bildelement in einem 2D Bild bezeichnet, beschreibt das Voxel dessen Erweiterung in 3D und stellt die grundlegenden Elemente eines CT-Datensatzes dar. Statt der bisherigen voxelbasierten Verarbeitung eines Datensatzes setzt BeyondVoxels auf einen hierarchischen wavelet-basierten Ansatz. Diese Technik zerlegt die Daten schrittweise in unterschiedliche Detailstufen – ähnlich wie eine digitale Landkarte, die je nach Zoomstufe mehr oder weniger Details anzeigt - und lädt dabei nur die Detailinformationen nach. Dadurch sinken Rechenzeit und Speicherbedarf deutlich.

Die Forschenden integrieren im Projekt alle Schritte der Datenanalyse – von der Vorverarbeitung über maschinell unterstützte Bilderkennung bis zur interaktiven Visualisierung – in einer Datenanalyse-Pipeline. Diese bildet die Grundlage für einen Software-Prototypen, der riesige CT-Datensätze im Terabyte-Bereich auf handelsüblicher Hardware darstellen und analysieren kann.

"Für Fraunhofer bietet BeyondVoxels enormes Potential in der Datenverarbeitung und Visualisierung sehr großer Daten unserer höchstauflösenden Computertomographiemodalitäten wie z.B. Synchrotron, XXL-CT oder GiantEye. BeyondVoxels wird uns dabei helfen, auch in Zukunft unsere Daten weiterhin auf konventioneller Hardware analysieren und visualisieren zu können", sagt Prof. Dr. Christoph Heinzl, Sprecher des Projekts und Experte für bildgebende Verfahren an der Universität Passau sowie am Fraunhofer IIS/EZRT. Dazu ergänzt Prof. Dr. Tomas Sauer, Inhaber des Lehrstuhls für Mathematik mit Schwerpunkt digitale Bildverarbeitung und Projektleiter auf Seiten der Universität Passau: ,,Dieses Projekt ist ein weiteres Beispiel für den Wert der Zusammenarbeit von Universität und Fraunhofer, denn wir können Grundlagenforschung zu relevanten Anwendungsproblemen machen und die Ergebnisse auch in die Anwendung bringen - und das alles vor Ort in Passau. Tatsächlich baut alles hier wesentlich auf Ergebnisse aus dem Projekt BigPicture auf, aus dem die Fraunhofer Gruppe entstanden ist."

Die Technik von BeyondVoxels soll Forschung und Industrie unterstützen. Denkbar wären Einsätze zur Analyse von Bauteilen oder Proben in der Materialforschung oder Geologie, Erschließung und Dokumentation von Kulturgütern. Durch die effizientere Verarbeitung könnten künftig sogar noch größere Datenmengen ausgewertet werden – und zwar immer noch ohne teure Spezialhardware.

Förderung und Projektbeteiligte

Förderung erhält das Projekt im Kontext des Aktionsplans ErUM-Data und der Förderrichtlinie zu den Themenfeldern „Software und Algorithmen mit Schwerpunkt auf Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen“, „Forschungsdatenmanagement“ und „föderierte Digitalinfrastrukturen“ zur Erforschung von Universum und Materie (ErUM) vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) über eine Laufzeit von drei Jahren. Projektleiter an der Universität Passau sind Prof. Dr. Tomas Sauer (Leiter des FORWISS-Instituts) und Prof. Dr. Christoph Heinzl (Professur für Kognitive Sensorsysteme sowie Fraunhofer IIS/EZRT) für das Fraunhofer IIS/EZRT. Als externe Institution ist das Helmholtz-Zentrum Hereon in Hamburg beteiligt, Projektleiter ist Dr. Julian Moosmann.

Bilder:

Das Symbolbild zeigt einen Blick durch eine Polfilterbrille auf einen stereoskopisch gerenderten 3D Computertomographie-Datensatz. Foto: Prof. Dr. Christoph Heinzl/Universität Passau

Das zweite Bild zeigt die Teilnehmenden am Kick-Off des Projekts BeyondVoxels am 20. Januar 2026 an der Universität Passau:

• Helmholtz-Zentrum Hereon: Vojtěch Kulvait, Julian Moosmann
• Fraunhofer Gesellschaft (EZRT, IIS): Prof. Christoph Heinzl, Astrid Hölzl, Thomas Lang
• FORWISS (UP): Alexander Gall, Michael Niedermeier, Dörte Rüweler, Prof. Tomas Sauer, Kathrin Schiermeier

Gäste (online): assoziierte Partner:

• Humboldt-Universität zu Berlin (Johannes Baller)
• European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) (Athanasios Papazoglou)
• Technische Universität Braunschweig (Marius Milatz, Max Wiebicke)